ウエストン電池(標準電池)


はじめに

詳細はWikipediaを見ていただくとして、要は1990年まで使われた電圧標準器だ。
19世紀末に作られたこのような電池が、割と最近の1990年まで電圧の”国際標準器”であったことに驚く。
以降、 物理F/V変換器であるジョセフソン電圧標準に標準器としての座を譲った。
周波数なら比較的容易に1E-10へ到達できるから、頑張ってppmオーダーのウエストン電池は完全に引退ということだ。

そうはいってもppmオーダーというのは、物理量として容易成らざる精度であり、「パーソナルユース」としては完全にオーバースペックと言えよう。
そんなウエストン電池を入手した。

予備知識

標準電池に関する最高の資料は、NBS(NIST前身)の「NBS Monograph84」(1965年)かと思われる。

水銀(+極)−硫酸水銀(減極剤)−硫酸カドミウム水溶液(電解液)−カドミウムアマルガム(−極)からなる湿式電池で、電解液の濃度により、「飽和型」、「不飽和型」がある。

飽和型は長期安定性に優れるが温度係数が大きく、不飽和型はその逆。
飽和型は60年近く経過しても数μVの変位、一方で不飽和型は20〜40μV/年の変位があり、飽和型で定期的に校正して使い、12〜18年の実用寿命とのこと。
飽和型を恒温槽に入れて一次標準として用い、それで温度係数の小さい不飽和を校正してフィールドで使うのが一般的だったようだ。

また、持ち運ぶことが多い不飽和型は電池内部にセパレータがあり、液状の水銀電極などが移動しないようになっているが、恒温槽に入れて固定運用する不飽和型はこのような措置が無いものが多く、ひっくり返すと電極が移動して使用不能になるという厄介なものだ。

電極、電解質とも有害物質というところも留意。

入手した電池

入手した電池はセル単体で、米国Eppley lab.社のものだ。 同社は、現在は標準電池を作っていない。
大粒のクリスタルが電解液に浸かっており、飽和型セルとわかる。

ラベルに型番が記されていないため不明だが、同社1968年のBulletinによると、101型と推定される。
このセルは輸送不可(ハンドキャリー)とされている。
実際、米国から送られてきたのだが、大粒クリスタルがガラス壁に固着しているおかげで電極は全く移動せず、見たところダメージは無さそうだ。
よくわからず購入した代物だが、運が良かった。
10MΩ負荷における降下80μVから内部抵抗は800Ωであり、1.018Vを出しているから電気的にもおかしくなさそうだ。

箱入れ

NBS Monograph84からわかってことだが、電池は以下のように管理する必要がある。

減極剤(硫酸水銀)が光感受性をもつため、暗箱にする。
全体が均一の温度になるようにする。
端子間は十分な絶縁抵抗を保つ。

飽和型セルは大きな温度係数をもつため、本来は恒温槽に入れて誤差0.01℃レベルの温度管理をするようだ。
大きな温度係数といっても、およそ40ppm/℃であり、0.1%精度で足りるなら温度管理は不要だ。
適当な温度計であっても1℃誤差程度で測温できるから、温度補正すれば50ppm程度は得られそうだ。
50ppmというと6桁程度のマルチメータの精度に相当する。

ケースはタカチEXSシリーズから、(転倒防止のため)フットプリント(パネル面)が若干大きめなものを選定した。
ケースは毎度お世話になっているタック電子販売さんから購入。
レトロな基準器のため黒色とした。
端子は落ち着いた色合いをもつフェノール樹脂(ベークライト)製、サトーパーツT6530を採用。
ポリカーボネート製のビビッドなものより、質感も色も渋くて良い。
テフロンワッシャにて絶縁を強化して取り付け。

ガラエポ板にPEフォームを枕として貼り付け、インシュロックで緩くセルを締結した。

手持ちDMMのチェック

標準器だから、出番はこれしかない。

FLUKE8840
20V以下は入力Z>10GΩであり、標準電池に負担を掛けることなく測定できる。
基本確度は校正後1年間50ppmだが、中古品でありいつ校正されたのか全く不明。

内部パーツのデートコードから、1986年製と推測。
オリジナルCALシールからしておそらく出荷後一度も校正されていない(30年以上経過)と思われる。
それでもここまでの数字を出すのがFLUKEのすごいところだと思う。
自社製セラミックベース薄膜抵抗ネットワークなど、要所に凝った部品が投入されており、性能を裏打ちしている。

FLUKEは70,80シリーズのようなハンドヘルドDMMでもこのようなセラミック抵抗を使っており、安定性が高い。


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Created:2018/08/18
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